結構體記憶體配置設定問題(轉)

結構體記憶體配置設定問題(轉) 1）sizeof也可以對一個函數調用求值，其結果是函數傳回類型的大小，函數并不會被調用。

（2）終于搞懂struct結構體記憶體配置設定問題了，結構體中各個成員位元組對齊遵循以下幾個原則：

1.結構體每個成員相對于結構體首位址的偏移量（offset）都是（這個）成員大小的整數倍，如有需要編譯器會在成員之間加上填充位元組（internal adding）；

  例如有以下一個結構體 

      struct ex {

               int i;

               char t;

               int n;              

 }

   第1個成員偏移量為0，是int型成員大小4（假設這太機器的整型長度占4個位元組）的整數倍。

   第2個成員 t 為char型，他的大小為1，首先假設在成員i和t之間沒有填充位元組，由于i是整型，占4個位元組那麼在沒有填充之前，第2個成員t相對于結構體的偏移量為4，他是t成員大小1的4倍，符合此條件，是以系統在給結構體第2個成員配置設定記憶體時，不會在i和t之間填充位元組以到達對齊的目的。

   當配置設定結構體第3個成員n時，首先發現是一個整型資料，大小為4，沒有填充之前，n相對于結構體首位址偏移量為：前面2個成員+填充位元組=5，是以當系統發現5不是4（成員大小）的整數倍時，會在成員t之後（或者說n之前）填充3個位元組，以使n的偏移量到達8而成為4的整數倍。這樣這個結構體占用記憶體情況暫時為4+1+3+4。

2.結構體的總大小為結構體最寬基本類型成員大小的整數倍，如有需要編譯器會在最末一個成員之後加上填充位元組（trailing padding）。

   上面的結構體記憶體配置設定以後還要看是否滿足此條件，假設在最末一個成員之後不需填充位元組數，那麼這個結構體的大小為12。而ex結構體中最寬基本類型成員為int，大小為4，12為4的整數倍，是以無須再在最末一個成員之後加上填充位元組了。是以sizeof(ex)=12;

   如果一個結構體如下所示struct ex1{

                    int i;

                    char t;

                    int n;

                    char add;

       }

   那麼sizeof(ex1) =16;原因就是在最後一個成員之後填充了3個位元組。

3.還有一個額外的條件：結構體變量的首位址能夠被其最寬基本類型成員的大小所整除；

4.對于結構體成員屬性中包含結構體變量的複合型結構體再确定最寬基本類型成員時，應當包括複合類型成員的子成員。但在确定複合類型成員的偏移位置時則是将複合類型作為整體看待。

5總結出一個公式：結構體的大小等于最後一個成員的偏移量加上其大小再加上末尾的填充位元組數目，即：

sizeof( struct ) = offsetof( last item ) + sizeof( last item ) + sizeof( trailing padding )

C/C++ 中已經提供了宏 offsetof 計算成員的偏移量。注意包含頭檔案：C 是 <stddef.h>，C++ 是 <cstddef>。  ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

由于程式運作時占用的記憶體過大，是以想辦法給程式瘦身。

在調試中發現結構體占用的size竟然和預想的不一樣，原來……

看看下面講的吧，肯定會不枉此看哦！

1,比如:

struct{

    short a1;

    short a2;

    short a3;

}A;

struct{

    long a1;

    short a2;

}B;

sizeof(A)=6, sizeof(B)=8,為什麼？

注：sizeof(short)=2,sizeof(long)=4

因為:“成員對齊有一個重要的條件,即每個成員按自己的方式對齊.其對齊的規則是,每個成員按其類型的對齊參數(通常是這個類型的大小)和指定對齊參數(這裡預設是8位元組)中較小的一個對齊.并且結構的長度必須為所用過的所有對齊參數的整數倍,不夠就補空位元組.”(引用)

結構體A中有3個short類型變量，各自以2位元組對齊，結構體對齊參數按預設的8位元組對齊，則a1,a2,a3都取2位元組對齊，則sizeof(A)為6，其也是2的整數倍；

B中a1為4位元組對齊，a2為2位元組對齊，結構體預設對齊參數為8，則a1取4位元組對齊，a2取2位元組對齊，結構體大小6位元組，6不為4的整數倍，補空位元組，增到8時，符合所有條件，則sizeof(B)為8；

可以設定成對齊的

#pragma pack(1)

#pragma pack(push)

#pragma pack(1)

struct{

    short a1;

    short a2;

    short a3;

}A;

struct{

    long a1;

    short a2;

}B;

#pragma pack(pop)

結果為sizeof( A)=6,sizeof( B)=6

************************

2,又如:

#pragma pack(8)

struct S1{

    char a;

    long b;

};

struct S2 {

    char c;

    struct S1 d;

    long long e;

};

#pragma pack()

sizeof(S2)結果為24.

成員對齊有一個重要的條件,即每個成員分别對齊.即每個成員按自己的方式對齊.

也就是說上面雖然指定了按8位元組對齊,但并不是所有的成員都是以8位元組對齊.其對齊的規則是,每個成員按其類型的對齊參數(通常是這個類型的大小)和指定對齊參數(這裡是8位元組)中較小的一個對齊.并且結構的長度必須為所用過的所有對齊參數的整數倍,不夠就補空位元組.

S1中,成員a是1位元組預設按1位元組對齊,指定對齊參數為8,這兩個值中取1,a按1位元組對齊;成員b是4個位元組,預設是按4位元組對齊,這時就按4位元組對齊,是以sizeof(S1)應該為8;

S2 中,c和S1中的a一樣,按1位元組對齊,而d 是個結構,它是8個位元組,它按什麼對齊呢?對于結構來說,它的預設對齊方式就是它的所有成員使用的對齊參數中最大的一個,S1的就是4.是以,成員d就是按4位元組對齊.成員e是8個位元組,它是預設按8位元組對齊,和指定的一樣,是以它對到8位元組的邊界上,這時, 已經使用了12個位元組了,是以又添加了4個位元組的空,從第16個位元組開始放置成員e.這時,長度為24,已經可以被8(成員e按8位元組對齊)整除.這樣, 一共使用了24個位元組.

                               a      b

S1的記憶體布局：1***, 1111,

                          c      S1.a    S1.b             e

S2的記憶體布局：1***, 1***,   1111, ****11111111

這裡有三點很重要:

1.每個成員分别按自己的方式對齊,并能最小化長度

2.複雜類型(如結構)的預設對齊方式是它最長的成員的對齊方式,這樣在成員是複雜類型時,可以最小化長度

3.對齊後的長度必須是成員中最大的對齊參數的整數倍,這樣在處理數組時可以保證每一項都邊界對齊

補充一下,對于數組,比如:

char a[3];這種,它的對齊方式和分别寫3個char是一樣的.也就是說它還是按1個位元組對齊.

如果寫: typedef char Array3[3];

Array3這種類型的對齊方式還是按1個位元組對齊,而不是按它的長度.

不論類型是什麼,對齊的邊界一定是1,2,4,8,16,32,64....中的一個. 

位元組對齊詳解

一.為什麼要對齊?

    現代計算機中記憶體空間都是按照byte劃分的，從理論上講似乎對任何類型的變量的通路可以從任何位址開始，但實際情況是在通路特定類型變量的時候經常在特 定的記憶體位址通路，這就需要各種類型資料按照一定的規則在空間上排列，而不是順序的一個接一個的排放，這就是對齊。

    對齊的作用和原因：各個硬體平台對存儲空間的處理上有很大的不同。一些平台對某些特定類型的資料隻能從某些特定位址開始存取。比如有些架構的CPU在通路 一個沒有進行對齊的變量的時候會發生錯誤,那麼在這種架構下程式設計必須保證位元組對齊.其他平台可能沒有這種情況，但是最常見的是如果不按照适合其平台要求對 資料存放進行對齊，會在存取效率上帶來損失。比如有些平台每次讀都是從偶位址開始，如果一個int型（假設為32位系統）如果存放在偶位址開始的地方，那 麼一個讀周期就可以讀出這32bit，而如果存放在奇位址開始的地方，就需要2個讀周期，并對兩次讀出的結果的高低位元組進行拼湊才能得到該32bit數 據。顯然在讀取效率上下降很多。

二.位元組對齊對程式的影響:

    先讓我們看幾個例子吧(32bit,x86環境,gcc編譯器):

設結構體如下定義：

struct A

{

    int a;

    char b;

    short c;

};

struct B

{

    char b;

    int a;

    short c;

};

現在已知32位機器上各種資料類型的長度如下:

char:1(有符号無符号同)    

short:2(有符号無符号同)    

int:4(有符号無符号同)    

long:4(有符号無符号同)    

float:4    double:8

那麼上面兩個結構大小如何呢?

結果是:

sizeof(strcut A)值為8

sizeof(struct B)的值卻是12

結構體A中包含了4位元組長度的int一個，1位元組長度的char一個和2位元組長度的short型資料一個,B也一樣;按理說A,B大小應該都是7位元組。

之是以出現上面的結果是因為編譯器要對資料成員在空間上進行對齊。上面是按照編譯器的預設設定進行對齊的結果,那麼我們是不是可以改變編譯器的這種預設對齊設定呢,當然可以.例如:

#pragma pack (2)

struct C

{

    char b;

    int a;

    short c;

};

#pragma pack ()

sizeof(struct C)值是8。

修改對齊值為1：

#pragma pack (1)

struct D

{

    char b;

    int a;

    short c;

};

#pragma pack ()

sizeof(struct D)值為7。

後面我們再講解#pragma pack()的作用.

三.編譯器是按照什麼樣的原則進行對齊的?

先讓我們看四個重要的基本概念：

1.資料類型自身的對齊值：

對于char型資料，其自身對齊值為1，對于short型為2，對于int,float,double類型，其自身對齊值為4，機關位元組。

2.結構體或者類的自身對齊值：其成員中自身對齊值最大的那個值。

3.指定對齊值：#pragma pack (value)時的指定對齊值value。

4.資料成員、結構體和類的有效對齊值：自身對齊值和指定對齊值中小的那個值。

有 了這些值，我們就可以很友善的來讨論具體資料結構的成員和其自身的對齊方式。有效對齊值N是最終用來決定資料存放位址方式的值，最重要。有效對齊N，就是 表示“對齊在N上”，也就是說該資料的"存放起始位址%N=0".而資料結構中的資料變量都是按定義的先後順序來排放的。第一個資料變量的起始位址就是數 據結構的起始位址。結構體的成員變量要對齊排放，結構體本身也要根據自身的有效對齊值圓整(就是結構體成員變量占用總長度需要是對結構體有效對齊值的整數 倍，結合下面例子了解)。這樣就不能了解上面的幾個例子的值了。

例子分析：

分析例子B；

struct B

{

    char b;

    int a;

    short c;

};

假 設B從位址空間0x0000開始排放。該例子中沒有定義指定對齊值，在筆者環境下，該值預設為4。第一個成員變量b的自身對齊值是1，比指定或者預設指定 對齊值4小，是以其有效對齊值為1，是以其存放位址0x0000符合0x0000%1=0.第二個成員變量a，其自身對齊值為4，是以有效對齊值也為4， 是以隻能存放在起始位址為0x0004到0x0007這四個連續的位元組空間中，複核0x0004%4=0,且緊靠第一個變量。第三個變量c,自身對齊值為 2，是以有效對齊值也是2，可以存放在0x0008到0x0009這兩個位元組空間中，符合0x0008%2=0。是以從0x0000到0x0009存放的 都是B内容。再看資料結構B的自身對齊值為其變量中最大對齊值(這裡是b）是以就是4，是以結構體的有效對齊值也是4。根據結構體圓整的要求， 0x0009到0x0000=10位元組，（10＋2）％4＝0。是以0x0000A到0x000B也為結構體B所占用。故B從0x0000到0x000B 共有12個位元組,sizeof(struct B)=12;其實如果就這一個就來說它已将滿足位元組對齊了, 因為它的起始位址是0,是以肯定是對齊的,之是以在後面補充2個位元組,是因為編譯器為了實作結構數組的存取效率,試想如果我們定義了一個結構B的數組,那 麼第一個結構起始位址是0沒有問題,但是第二個結構呢?按照數組的定義,數組中所有元素都是緊挨着的,如果我們不把結構的大小補充為4的整數倍,那麼下一 個結構的起始位址将是0x0000A,這顯然不能滿足結構的位址對齊了,是以我們要把結構補充成有效對齊大小的整數倍.其實諸如:對于char型資料，其 自身對齊值為1，對于short型為2，對于int,float,double類型，其自身對齊值為4，這些已有類型的自身對齊值也是基于數組考慮的,隻 是因為這些類型的長度已知了,是以他們的自身對齊值也就已知了.

同理,分析上面例子C：

#pragma pack (2)

struct C

{

    char b;

    int a;

    short c;

};

#pragma pack ()

第 一個變量b的自身對齊值為1，指定對齊值為2，是以，其有效對齊值為1，假設C從0x0000開始，那麼b存放在0x0000，符合0x0000%1= 0;第二個變量，自身對齊值為4，指定對齊值為2，是以有效對齊值為2，是以順序存放在0x0002、0x0003、0x0004、0x0005四個連續 位元組中，符合0x0002%2=0。第三個變量c的自身對齊值為2，是以有效對齊值為2，順序存放

在0x0006、0x0007中，符合 0x0006%2=0。是以從0x0000到0x00007共八位元組存放的是C的變量。又C的自身對齊值為4，是以C的有效對齊值為2。又8%2=0,C 隻占用0x0000到0x0007的八個位元組。是以sizeof(struct C)=8.

四.如何修改編譯器的預設對齊值?

1.在VC IDE中，可以這樣修改：[Project]|[Settings],c/c++頁籤Category的Code Generation選項的Struct Member Alignment中修改，預設是8位元組。

2.在編碼時，可以這樣動态修改：#pragma pack .注意:是pragma而不是progma.

五.針對位元組對齊,我們在程式設計中如何考慮?

    如果在程式設計的時候要考慮節約空間的話,那麼我們隻需要假定結構的首位址是0,然後各個變量按照上面的原則進行排列即可,基本的原則就是把結構中的變量按照 類型大小從小到大聲明,盡量減少中間的填補空間.還有一種就是為了以空間換取時間的效率,我們顯示的進行填補空間進行對齊,比如:有一種使用空間換時間做 法是顯式的插入reserved成員：

struct A{

    char a;

    char reserved[3];//使用空間換時間

    int b;

}

reserved成員對我們的程式沒有什麼意義,它隻是起到填補空間以達到位元組對齊的目的,當然即使不加這個成員通常編譯器也會給我們自動填補對齊,我們自己加上它隻是起到顯式的提醒作用.